JP2011522963A - 無方向性電気鋼板 - Google Patents

Abstract

本発明は自動車駆動用モータなどの回転機器の鉄心材料として広く用いられる，無方向性電気鋼板に関するもので，重量％で，Ａｌ：１．３〜２．５％，Ｓｉ：０．８〜２．０％，Ｍｎ：０．６〜１．２％，Ｐ：０．０５〜０．２％を含み，残部がＦｅおよびその他不可避的不純物からなり，Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｐ＝３．９〜４．４５％，Ａｌ＋Ｓｉ＝２．５〜３．８％，Ａｌ／Ｓｉ＝０．６５〜３．１，Ｍｎ／Ｐ＝４〜１６の組成式を満足し，固有抵抗５０〜６０μΩ・cmを前提とすると共に，断面のビッカース硬さ(Ｈｖ)が１８５以下であることを特徴とする，無方向性電気鋼板を提供する。よって，本発明は，Ｆｅ−Ｓｉ系無方向性電気鋼板のうち３５Ａ３００〜３５Ａ２３０（ＪＩＳ規格）と比較して同等あるいはそれ以上の磁性を有し，生産性にも優れた無方向性電気鋼板を製造することができる。

Description

本発明は，回転機器の鉄心材料として広く用いられる無方向性電気鋼板に係り，特に，鉄損が低くかつ磁束密度が高い無方向性電気鋼板に関する。

無方向性電気鋼板は，回転機器において電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換に必要な重要部品であって，省エネルギーのためには，その磁気的特性，すなわち低い鉄損と高い磁束密度を有することが重要である。ここで，鉄損はエネルギー変換過程で熱に変わって消えてしまうエネルギーなので，低ければ低いほど効率的であり，これに対し，磁束密度は動力を発生させる力なので，高ければ高いほど効率的である。

近年，エネルギーの効率的な利用及びＣＯ_２低減のための対策の一環として，自動車の駆動をガソリンあるいはディーゼルエンジン方式から一部（ハイブリッド式）あるいは全部を電気式に転換する技術が急速に発展している。

この技術に使われるモータは次の２つの特性が要求される。一つは出発時の加速性能に優れることであり，もう一つは走行中の燃費が高い（電力消費量が少ない）ことである。このようにモータに求められる特性を無方向性電気鋼板の磁気的特性に置き替えて言えば，前者は飽和磁束密度（Ｂｓ）が高いこと，後者は高周波鉄損（Ｗ１０／４００，Ｗ５／１０００）が少ないことである。これを製造条件に置き替えて言えば，前者はＳｉなどの合金元素量を減らして固有抵抗を低くすればするほど良くなり，後者は逆にＳｉなどの合金元素量を増やして固有抵抗を高くすればするほど良くなるという二律背反の関係に置かれる。

現在，電気自動車の駆動モータとして採用されている高級製品の無方向性電気鋼板は，３５Ａ３００〜３５Ａ２３０（ＪＩＳ規格基準）であるが，前記製品は，Ｓｉなどの合金元素添加量が多いため，冷間加工性が不良であって生産性が劣る。また，高速回転時の熱損失に該当する高周波鉄損を向上させるためには薄物化を必要とするが，現在使用中の前記製品は，加工性が不良であって薄物化が容易でないため，生産性が劣る。このような問題点，すなわち高周波域における鉄損と生産性低下を改善するために，Ｓｉと同等水準の固有抵抗を有する成分Ａｌの含有量を高め，Ｓｉの含有量を減らし，あるいはＳｉに対して半分程度の固有抵抗を有するＭｎを添加することにより，｛１００｝集合組織を強化する方法が提案されている。このような従来の技術は，日本特開２００２−１４６４９０号，同２００１−５９１４５号，及び同２００３−２９３０９９号で取り扱われているが，結晶粒成長性，硬度，磁性などの複合的な問題により未だ量産には至っていない。したがって，良好な結晶粒成長性，低い硬度，及び優れた磁性を有する無方向性電気鋼板を製造するための最適な組成成分に対する設計が求められている。

発明の開示
技術的課題
本発明は，上述した従来技術の問題点を解決するためのもので，その目的は，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐの添加成分を最適化して結晶粒成長性を向上させることにより，低い硬度及び優れた磁性を有する無方向性電気鋼板を提供することにある。

技術的解決方法
上記技術的課題を解決するために，本発明は，化学組成が，重量％で，Ａｌ：１．３〜２．５％，Ｓｉ：０．８〜２．０％，Ｍｎ：０．６〜１．２％，Ｐ：０．０５〜０．２％を含み，残部がＦｅおよびその他不可避的不純物からなり，Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｐ＝３．９〜４．４５％，Ａｌ＋Ｓｉ＝２．５〜３．８％，Ａｌ／Ｓｉ＝０．６５〜３．１，Ｍｎ／Ｐ＝４〜１６の組成式を満足し，固有抵抗を５０〜６０μΩ・cmに維持すると共に，断面のビッカース硬さ(Ｈｖ)が１８５以下であることを特徴とする，無方向性電気鋼板を提供する。

発明の効果
本発明は，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐの添加成分を最適化することにより，硬度が低く，高周波数域で優れた磁気特性が発現されるうえ，生産加工性が容易であって生産コストが低く，生産性を向上させる効果を期待することができる。

本発明のＭｎ，Ｐの添加量の最適範囲を示す図。 本発明のＡｌ，Ｓｉの添加量の最適範囲を示す図。

本発明は，上述した問題点を解決するために，鋼に添加する合金元素として，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎだけでなく，Ｐの添加量とＡｌ／Ｓｉ及びＭｎ／Ｐの比率を異ならせて，各組成成分系による硬度値，結晶方位及び結晶粒成長性を確認することにより，優れた磁気物性を示しかつ鋼板の生産性が著しく改善される範囲を見付けようとした。

次に，各添加元素を選択した理由，及び添加比率を限定した事由について説明する。

現在使われているＦｅ−Ｓｉ系無方向性電気鋼板３５Ａ３００〜３５Ａ２３０（ＪＩＳ規格基準）と同等の飽和磁束密度（Ｂｓ）を維持するために，固有抵抗（ρ）が５０〜６０μΩ・cmの同一範囲であることを前提とした，成分系（％）と固有抵抗（ρ）との関係は次の実験式を用いた。
ρ＝１３．２５＋１１．３（Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｐ＋Ｍｎ／２）

本発明において，高級鋼の固有抵抗値は通常の鋼より高く，具体的には５０μΩ・cm以上の値にすることを要する。高級鋼に使用するためには固有抵抗値が高くなければならないが，これは，固有抵抗が低ければ，渦電流の損失が大きくなるので高級用無方向性電気鋼板への使用が困難になるためである。このような固有抵抗を与えるための特定の組成成分にはＳｉ，Ｐなどがあり，これらの元素などは，固有抵抗を増大させかつ渦電流の損失を低減する効果があるが，前記元素，特にＳｉの含有量がある程度高い場合は，磁束密度の低下と加工性の悪化をもたらす。

したがって，渦電流の損失を減らしかつ良好な加工性を得るためには，固有抵抗の範囲が５０〜６０μΩ・cmの範囲内で調整されなければならない。

本発明は，合金元素としてＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐの４つの成分を選択することにより，これらの効果を確認しようとした。表１に示すように，現行のＦｅ−Ｓｉ系はＳ０，Ｆｅ−Ａｌ系はＳ１，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系はＳ２，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｐ系はＳ３でそれぞれ表示した。さらに，固有抵抗はいずれも５６μΩ・cmに固定されるようにして，４つの成分に対する比較を行った。無方向性電気鋼板の製造工程では，まず熱延板焼鈍を行った後，一段冷延を施し，最後に１０５０℃，３８秒で最終焼鈍を行った。こうして得られた結果を表１に示した。

Ｓ０の場合は，硬度（Ｈｖ）が２００と高くて脆性が強いため，生産性が不良であった。Ｓ１及びＳ２の場合は，結晶粒成長性がＳ０に比べて劣るため，結果として鉄損の面で劣位にあった。これに対し，ＭｎとＰを増加させたＳ３の場合は，結晶粒成長性が良好であって，結晶方位及び鉄損の値がＳ０に近似していた。よって，結晶粒成長性を向上させる最適なＭｎとＰの組み合わせが必要であることが分かる。

次に，Ｍｎ，Ｐの最適範囲の選定理由について説明する。

Ｍｎ，Ｐの最適範囲を調べるために，Ｓ３のＡｌ，Ｓｉをそれぞれ２．５％，０．８％に固定し，ＭｎとＰの添加量を変化させながら行ったが，それらをＳ３−１，Ｓ３−２，Ｓ３−３，Ｓ３−４，Ｓ３−５で表記し，その結果を表２に示した。

比較例Ｓ３−１を除いた残りの本発明の実施例は，鉄損が低く，結晶粒成長性が良好であった。よって，Ｍｎ，Ｐの最適範囲はＭｎ：０．６〜１．２％，Ｐ：０．０５〜０．２％であり，Ｍｎ／Ｐの比はＭｎ／Ｐ＝４〜１６となり，これを図１に示すと，太い線の内部がこれに該当する。すなわち，この範囲内で結晶粒成長性が最も良くなるが，これを超過すると，硬度が高くなりすぎて脆性が大きくなる。

次に，Ａｌ，Ｓｉの最適範囲の選定理由について説明する。

Ａｌ，Ｓｉの最適値を調べるために，結晶粒成長性を示すＭｎ，Ｐの値をＭｎ＝０．８％，Ｐ＝０．０８％に固定し，固有抵抗５６μΩ・cmの範囲内でＡｌ／Ｓｉを変化させた。Ａｌ／Ｓｉがそれぞれ１．５，１．０，０．６５の実施例をそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３で表示した。比較例としてのＳ０も表３に示した。

表３から分かるように，本発明の実施例は，比較例としてのＳ０に比べて硬度が低く，磁性が良好である。したがって，最適のＡｌ／Ｓｉ比は０．６５〜３．１であることが分かり，ＭｎとＰを考慮し，固有抵抗５０〜６０μΩ・cmを満足する組成比率はＡｌ＋Ｓｉ＝２．５〜３．８％，Ａｌ＝１．３〜２．５％，Ｓｉ＝０．８〜２．０％となる。このような条件を図２に示すと，最適範囲は太い線の内部となる。

次に，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐの最適範囲組み合わせの理由について説明する。

固有抵抗５０〜６０μΩ・cmを満足するＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐの最適組み合わせにおいて，Ａｌ＋Ｓｉが３．８％の場合，固有抵抗が６０μΩ・cmを満足するためのＭｎ，Ｐの値は最小にならなければならないので，各成分の最小含有量はそれぞれ０．６％，０．０５％になる。逆に，Ａｌ＋Ｓｉが２．５％の場合，固有抵抗が５０μΩ・cmを満足するためのＭｎ，Ｐの値は最大にならなければならないので，各成分の最大含有量はそれぞれ１．２％，０．２％になる。よって，Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｐの範囲は３．９〜４．４５％になる。

次に，不純物元素の限定理由について説明する。

Ｃは磁気時効を起こすので，０．００４％以下，好ましくは０．００３％以下であることがよく，Ｓ，ＮはＭｎ，Ａｌと組み合わせてＭｎＳ，ＡｌＮを形成して結晶粒成長性を妨害するので，０．００４％以下，好ましくは０．００２％以下であることがよい。Ｔｉは，無方向性電気鋼板において望ましくない結晶方位［１１１］の成長を促進するので，０．００４％以下，好ましくは０．００２％以下であることがよい。

次に，結晶粒径と磁性の限定理由について説明する。

表１に示すように，鉄損と結晶粒径とは強い相関関係を示すが，固有抵抗５０〜６０μΩ・cmの高級鋼を製造するためには，鉄損が良好でなければならず，平均結晶粒径が１００μm以上でなければならない。これに対し，本発明の組成成分の範囲内で，鋼板厚さ０．３５mmにおける平均結晶粒径は１００μm以上である。また，周波数との相関関係を考察すると，商用周波数５０，６０Ｈｚにおける結晶粒径は１００〜２００μmと大きい方が好ましく，４００Ｈｚ以上の高周波域における結晶粒径は７０〜１００μmと小さい方が好ましい。よって，本発明の組成成分範囲内で，鋼板の厚さ０．３０〜０．１５mmにおける結晶粒径は７０〜１３０μmの範囲に限定することが好ましい。

以下，本発明の実施例によってさらに詳しく説明する。

Ｆｅ−Ｓｉ系のＳ０を比較例とし，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｐ系のＳ３，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５で実施した。その結果を表４に示した。

上述した組成成分を満たす鋼塊を製造した後，鋼塊を１１５０℃で加熱し，８５０℃で熱延仕上げして，鋼板厚さ２．０mmの熱延板を製作した。次に，９５０℃で４分間前記熱延板を焼き鈍し，酸洗処理後，冷間圧延を施して鋼板厚さを０．３５〜０．１５mmにし，しかる後に，１０５０℃で３８秒間最終焼鈍を行った。こうして得られた結果を表５に示した。

硬度はＳｉの含有量と強い関係を示すため，比較例としてのＦｅ−Ａｌ系のＳ０は硬度(Ｈｖ)が２０４と非常に高かったが，本発明の実施例に係るＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｐ系のＳ３，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５は硬度(Ｈｖ)が１８３以下と非常に低く，冷間加工性も良好であった。

磁束密度（Ｂ５０）は鋼板厚さが薄くなるにつれて減少するが，比較例としてのＳ０と本発明の実施例の磁束密度を比較するとき，本発明の磁束密度は厚さが薄くなってもＳ０程減少しないが，これは本発明の場合に冷間圧下率の影響を少なく受けるためである。このような現象は熱延板の厚さの選択幅を広めることができるという利点に繋がる。

高周波鉄損（Ｗ１０／４００，Ｗ５／１０００）は，鋼板厚さとの関係が明確であって，厚さが薄くなるほど高周波鉄損は向上する。Ｗ１０／４００の場合，０．３５mmにおける鉄損を基準として，０．３０mmでは約８８％，０．２５mmでは７５％，０．２０mmでは約６５％，０．１５mmでは約６０％になる。Ｗ５／１０００の場合，０．１５mmにおける鉄損は０．３５mmにおける鉄損に比べて約５０％まで低下する。よって，高周波鉄損向上の最も効果的な方法は鋼板厚さの薄物化であることが分かる。

Claims (4)

1. 重量％で，Ａｌ：１．３〜２．５％，Ｓｉ：０．８〜２．０％，Ｍｎ：０．６〜１．２％，Ｐ：０．０５〜０．２％を含み，残部がＦｅおよびその他不可避的不純物からなり，Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｐ＝３．９〜４．４５％，Ａｌ＋Ｓｉ＝２．５〜３．８％，Ａｌ／Ｓｉ＝０．６５〜３．１，Ｍｎ／Ｐ＝４〜１６の組成式を満足し，固有抵抗を５０〜６０μΩ・cmに維持すると共に，断面のビッカース硬さ(Ｈｖ)が１８５以下であることを特徴とする無方向性電気鋼板。
2. 前記無方向性電気鋼板の厚さが０．１５〜０．３５mmのとき，磁束密度（Ｂ５０）は１．６０〜１．７０Ｔであり，鉄損はＷ１０／４００で１１．０〜２５．０Ｗ／Ｋｇであり，Ｗ５／１０００では１１．０〜２７．０Ｗ／Ｋｇであることを特徴とする請求項１記載の無方向性電気鋼板。
3. 前記不可避的不純物は，Ｃが０．００４％以下，Ｓが０．００４％以下，Ｎが０．００２％以下であることを特徴とする請求項１記載の無方向性電気鋼板。
4. 前記の組成範囲内で，前記無方向性電気鋼板の厚さ０．１５〜０．３５mmにおける結晶粒径は７０〜１３０μmであることを特徴とする請求項１記載の無方向性電気鋼板。